浅谈Java虚拟机的研究与移植

　　1 引言
　　随着现代信息技术的迅猛发展，电视数字化步伐加快了。从一开始的模拟电视到现在的数字电视，不仅大大提高了电视节目的质量，也推动了电视数字化的进一步发展。在各种数字视频广播标准中，欧洲的DVB（Digital Video Broadcast）标准使用比较广泛，它为在同一信道中传输视频、音频、数据提供了一种灵活、高效的方式，可以通过卫星、电缆和地面信道传输高质量的电视节目。同时基于DVB的数据广播标准也能满足人们对于宽带数据业务的要求，如证券信息服务、电子节目、MP3音乐下载、电子邮件、网页浏览等，在现代信息技术领域应用极为广泛。
　　
　　图一　数字机顶盒架构
　　从图一我们可以看到， 一个完整的数字机顶盒由硬件平台和软件系统组成，可以将其分为4层，从底向上分别为硬件、底层软件、中间件、应用软件。硬件提供机顶盒的硬件平台；底层软件提供操作系统内核以及各种硬件驱动程序；应用软件包括本机存储的应用和可下载的应用；中间件是一种将应用程序与底层的操作系统、硬件细节隔离开来，使应用不依赖于具体的硬件平台的软件环境。这样用户可以在任何厂家的硬件平台上进行应用软件开发，和应用软件下载。而不必介意任何底层的有关信息，保证了机顶盒的开发专业化。这种分层的思想在现代系统设计中十分常见，如大名鼎鼎的TCP/IP协议。中间件通常由各种虚拟机来构成，如HTML虚拟机、JavaScript虚拟机、Java虚拟机等。
　　现在广电行业倾向于DVB-MHP（多媒体家庭平台）中间件标准。DVB-MHP基于开放性的Java程序语言，具有软硬件兼容性好、可移植成本低、二次再开发功能强等优点，是一种很有发展前途的中间件技术标准。可以相信，Java在数字视频广播中的应用将越来越多，我们有必要研究Java技术核心—虚拟机，包括其结构、运行机制及虚拟机移植到数字机顶盒平台的关键技术。本文面向采用ST（意法半导体公司）Sti5516芯片的数字机顶盒平台，将基于数字电视播放（Digital Video Broadcast，DVB）的多媒体家庭平台（Multimedia Home Platform，MHP）规范进行中间件平台分析，重点研究开放源码的Java虚拟机---Kaffe在其中的作用和相关的移植技术。
　　2 平台介绍
　　2.1 硬件平台
　　数字机顶盒硬件平台基于ST公司的芯片Sti5516，Sti5516芯片集成了CPU内核ST20-C2、音/视频MPEG-2解码器、PAL/NTSC/SECAM编码器等。开发板上有8MB的共享内存和16MB的外部内存，4MB的Flash，并采用实时处理的嵌入式操作系统OS20。
　　2.2 软件平台
　　一个典型的适用于嵌入式的Java运行环境包括以下组件：
　　1．一个Java虚拟机。用来将独立于平台的Java字节码解释成目标机本地机器码，并执行动态类加载。这可以采取解释执行或实时编译执行（JIT）的形式。两者的不同点就在于字节码的执行速度；因为JIT避免了重复解释以前执行过的程序块。
　　2．一个标准Java类库集，以字节码的形式存在。如果应用程序并不引用任何类库，那这些类库就并不一定要求存在。
　　3．任何类库或虚拟机所需的本地方法（JNI）。这些函数是由其它高级语言所写，并和Java虚拟机一起预编译，链接。这些函数被用来执行处理器相关或Java无法直接实现的功能。
　　4．一个多任务操作系统，用来提供Java线程及线程同步机制的底层实现。
　　5．一个垃圾回收线程。垃圾回收周期运行或当动态内存池不能满足分配请求时运行，用来申明那些已经被分配但不再被应用程序所使用的内存。
　　Kaffe是一个完整的Java实现，它由3部分组成：遵从 Personal Java1.1规范的 Java类库，Java1.1虚拟机和本地动态或静态链接库。Kaffe虚拟机源码按以下子目录组织：
　　kaffe---包括了解释器与JIT平台无关部分，以及垃圾回收，动态类加载和Java runtime environment其它模块的源代码。
　　config---包括了解释器与JIT平台相关部分。它按所支持的处理器来划分子目录，里面存放系统相关代码。
　　package---Java类库以及任何它所依赖的本地方法。
　　include---在子目录中提供的本地方法的接口定义。这些接口被平***立文件所需要。
　　3 Kaffe移植的关键技术及方案
　　经过对Kaffe深入分析和研究，笔者已在Sti5516平台上成功地移植了Kaffe，并依据DVB-MHP规范，结合机顶盒特定软硬件环境要求，建立了能运行Kaffe虚拟机的Java应用程序运行平台。下面将移植工作及相应步骤总结如下：
　　3.1 字节码解释器
　　由于Kaffe源码中没有映射Java字节码到处理器相关的汇编代码块，而是使用C实现了每个字节码。这样就导致字节码解释器的源代码没有一行是处理器相关的。这意味着移植最简虚拟机（无JIT）将非常简单：只需要使用交叉编译器来编译kaffe/kaffevm子目录下的文件即可。
　　3.2 内部线程
　　Kaffe有它自己的内部线程包。换句话说，它维护自己的线程数据结构，并在适当的时候执行线程调度及上下文切换。为了使内部线程包能运行在ST20处理器架构上， 需要在config/os20子目录中创建一个threads.h文件。这个文件定义了两个常量和四个宏。这些常量和宏被内部线程包里处理器无关的部分代码所使用。
　　USE_INTERNAL_THREADS定义为ENABLE。
　　THREADSTACKSIZE是一个常量，定义为每个线程堆栈的大小，单位bytes。
　　THREADINIT（ctx * pContex， void （*func）（））执行新线程的上下文初始化。该线程的入口点被func指针所提供。
　　THREADSWITCH（ctx * pNewContext， ctx * pOldContext）执行实际的上下文切换。
　　THREADINFO（ctx * pContext）在Kaffe初始化期间重置整个任务控制块。
　　THREADFRAMES（thread * taskId， int count）返回活动的堆栈桢个数。
　　3.3 支持软件
　　和其它大多数用C写的程序一样，Kaffe依赖于标准C库里的例程。由于ST采用符合GNU规范的GCC编译器，如strcmp（），atoi（），sin（）等标准C库函数被支持。除此之外OS20提供以下支持：
　　动态内存分配malloc（）。尽管Java程序员不会直接调用malloc（），但Kaffe虚拟机需要从底层调用内存分配例程来请求大的内存池。
　　信号。Kaffe依赖于与POSIX兼容的信号实现机制来执行相应的软件中断。而这可以用来唤醒休眠线程和异常句柄。
　　非阻塞I/O接口。和select（）相似。
　　3.4 动态类加载器
　　为了在OS20操作系统中使用，须修改源代码中平台无关的部分---动态类加载器。它是Java运行时环境的一部分，被用来负责加载被调用的方法（methods）。在桌面环境中，与方法相关的字节码被放在类文件中，动态类加载器使用给定的方法名在类路径下的子目录和文件里搜索。但由于OS20操作系统没有文件系统，所以类加载器必须被修改成在内存（RAM或ROM）中搜索类文件。为此我们完全重写动态类加载器。
　　我们采用了静态查找表装载机制，建立了一个查找表。这个查找表的结构定义如下：
　　typedef struct
　　{
　　int index;
　　int size;
　　char name;
　　}classIndexTable;
　　这个查找表用来映射类名或方法名到它们在内存中的起始地址。这样就可以用查找表来替代类加载器。即将类型和路径组合为一个唯一的标识， 比如“java string”，组合起来就是“java_string”，然后再利用这个组合的结果检索查找表。
　　利用组合的结果与查找表中每一项的name字段进行字符串比较，直到完全匹配为止。如果没有任何匹配则说明系统不支持这个类型。匹配上name 后，类装载器将获得index和size的值。index是一张存放所有.class文件起始地址表的索引，根据这个索引就可以找到具体的.class文件的二进制映像的起始地址，而size则是该.class文件的大小。这样根据.class文件存储位置的地址和大小就可以成功地完成类的装载。
　　3.5 虚拟机启动
　　由于OS20操作系统是被GCC编译到主程序中，我们需要将kaffe虚拟机的初始化函数做为主应用程序中的某个任务来运行。kaffe虚拟机的初始化与启动是通过在主程序中运行initializeKaffe（）函数来完成的。
　　4 测试与结果
　　在主程序中，调用OS20操作系统中的系统调用task_create（）来将Kaffe虚拟机初始化为系统的一个进程。并为它分配必要资源，包括进程优先级、系统需要的内存空间等。依照分配的优先级，参与系统的进程调度。最后，将整个修改好的源代码在新的编译环境下编译连接成可执行代码，通过JTAG口下载到机顶盒开发板中运行。
　　Kaffe虚拟机的“输入”是“hello.java”，经过编译后生成类文件“hello.class”。运行下载到Flash的主程序，在调试终端可以看到“hello world”字样，这是Kaffe虚拟机解释字节码的结果。说明基于Sti5516芯片的Kaffe虚拟机移植成功。
　　5 结束语
　　以上介绍了Java虚拟机Kaffe的软件架构，从中我们可以看出，Kaffe虚拟机具有较好的可扩展结构模型，是遵循Java规范的优良的开放源码虚拟机，可以适应多种嵌入式应用环境。本文按照欧洲DVB-MHP规范，给出了Kaffe虚拟机在Sti5516机顶盒环境下的移植方案，使其可以应用于要求较高的嵌入式系统中，为机顶盒在证券信息服务、电子节目、MP3音乐下载、电子邮件、网页浏览等新型服务领域的开发应用奠定坚实的基础。我们相信，随着基于Java技术的DVB-MHP中间件技术的广泛使用，将使嵌入式系统的应用开发更加简捷方便。